齿轮是汽车、机床等各种机械装置中起重要作用的机械元件。因此，对其耐磨性、强度等各种性能提出了较高的要求。为发挥和维持最佳性能，基于齿轮的传动部件之间的润滑也很重要。在使用齿轮传动的情况下，考虑到减轻齿轮磨损、减轻摩擦产生的发热以及冷却等问题，通常使用液体润滑剂，一般为油和润滑脂等。
虽然液体润滑剂在真空和极端温度环境等苛刻条件下也可使用，但会导致润滑剂老化和挥发加剧问题。与此相反，固体润滑由于其物质本身可以起到润滑剂的作用，即使在恶劣工况也可以正常使用。硫氮共渗是在金属表面形成固体润滑层的表面处理技术之一。硫氮共渗处理通过反应气体，可以在金属最表面生成有助于减轻摩擦阻力的硫化物层，其次是生成有助于提高耐磨性和强度的氮化物层。田斌等人在有润滑条件下对硫氮共渗35CrMo钢的磨损性能进行了试验分析，结果表明硫氮共渗处理可赋予固体润滑作用，可适用于不能使用液体润滑剂的工况。WONG-ANGEL 等的试验结果表明，相比于氮化处理、渗碳淬火、高频淬火等技术，硫氮共渗不但有助于提高耐磨损性和强度，还能起到润滑作用。
目前，尚未查到对钢制齿轮硫氮共渗后摩擦磨损性能评估的研究。因此，本文作者采用不同表面处理技术制备各种钢制齿轮，包括未处理、氮化处理、渗碳淬火、高频淬火、硫氮共渗和氮化+硫氮共渗，并对无润滑条件下各种齿轮的磨损性能进行评价。结果表明：硫化氮化处理对减少齿轮的磨损是有效的。
一、试验方法
制备齿轮的材质为 45 钢，分度圆直径为105 mm，模数为1. 5 mm，齿数为70。驱动侧齿轮的齿宽为 10 mm，驱动侧没有实施表面处理。从动侧齿宽为 3 mm，实施表面处理。所用表面处理除硫氮共渗 ( Sulfonitriding，SN)外，还采用未处理( Non Treated，NT) 、氮化处理( Nitrided，N)、渗碳淬火( Carbu⁃ rized Quenching，CQ)、高频淬火( Induction Hard⁃ ening，IH)、氮化和硫氮共渗的复合( SN+N) 。表面处理齿轮的处理条件和外观如表 1 所示。
试验条件：转速为200 r / min，压力为 200 N，试验时间为4h。试验采用东京技术 TTI150E 齿轮检测仪测量轴距，并将其变化作为磨损量。齿轮试验示意如图 1 所示。
该试验机是齿轮形状测定试验用的，具有可调的齿轮转速、轴间距离和轴间压力。通常情况下转速和轴间距离是固定的，通过在轴间加压(对齿面加压)模拟齿轮的高负荷环境。齿轮试验环境如图 2 所示。
磨损试验是在大气常温下且不使用润滑剂进行的。同时，使用吉蒂艾思 MPX⁃3W 摩擦磨损试验机测量各种表面处理的摩擦因数。测量条件：荷载为 10 N，转速为 0. 31 m / s，测试时间为 1 800 s，球类材质为 GCr15。
二、试验结果与分析
各种齿轮试验后轴间距离变化量
齿轮磨损试验前后的轴间距离变化量越大，意味着齿轮的磨损更加恶化。6种表面处理齿轮的轴距变化量与时间的关系如图3所示。可知：表面未处理的齿轮试件在试验过程中出现了较大的机械噪声和振动，并且随着试验的进行越来越大，在这种状态下很难继续试验，判断为危险，0.5h后强制结束了试验，在此0.5h的测试时间内，其轴间距离变化量为 121 μm;其他5种齿轮的测试持续 4 h；在所有齿轮试验中，轴间距离变化量均随着时间的推移而增加；随着试验的进行，轴间距离变化量呈现出指数增长趋势。
在此次测试中，氮化处理轴距变化量为 352 μm，渗硫氮化处理变化量为 198 μm，渗碳淬火变化量为298 μm，高频淬火变化量为 232 μm，氮化处理+渗硫 氮化处理变化量为 106 μm。变化量由小到大依次为 SN+N、SN、IH、CQ 和 N。
各种齿轮的试验后齿面状态
磨损试验后 6 种齿面状态的扫描电镜 (Scanning Electron Microscope， SEM)图像如图 4 所示。
由图 4 可以看出：因为比其他表面处理齿轮磨损更严重，NT 齿轮齿面端部出现了很多缺口，并且齿轮侧面出现了很多变形的部分，而其他齿轮没有出现大的缺口或变形;整体来看，与其他处理方式相比，SN+N 处理的齿轮表面形状变化较小，保持了均匀状态。随着磨损的进行，齿面形状发生变化，在齿尖附近发现了许多纵向连续的划痕。该划痕在 IH、CQ 和 N 中被大量确认，而在 SN 和 SN+N 中则较少。在齿底附近，由于磨损而形成的沉积物平坦地扩大，以覆盖的形式附着。SN+N 的覆盖面积最大。此外，其他 5 种齿轮的表面形状是断续的，而 SN+N 则是连续的。综合来说，SN+N 处理的齿轮表面变形小、划痕小、表面更平整。
各种表面处理的摩擦因数测量
在室温无液体润滑剂条件下，6 种方法处理后的表面摩擦因数如图 5 所示。
由于 NT 处理和 N 处理在试验过程中球和盘之间的距离变大，超过了装置的测量界限，中途强制结束了试验。在这些试验中，摩擦因数均呈升高趋势。NT、N、SN、CQ、IH、SN+N 方法处理后的表面摩擦因数平均值分别为 0. 63、0. 77、0. 86、0. 72、0. 76、0. 62。相比其他处理技术，SN+N 的摩擦因数最低且稳定。
讨论分析
根据齿轮轴间距离变化量，计算齿轮磨损量的示意如图 6 所示。
齿轮磨损量 Δd 的公式如下：
式中：ΔD 为测量得到的齿轮轴间距离变化量；θ 为啮合角。
从各齿轮磨损试验的结果可知，与未处理试件相比，通过实施表面处理可以减少磨损量。这是由于各种表面处理均提高了齿面的维氏硬度。SN处理的表面由氮化物层和硫化物层构成，由于该硫化物层起到了固体润滑的作用，所以磨损量减少了。但是，发挥固体润滑作用的硫化物层( FeS 层 )非常薄，只有几微米，在齿轮磨损初期就会磨损。SN处理后齿面硫氮共渗层断口的 SEM 结果如图7所示。
由图 7 可知：SN 处理齿轮最表面形成的 FeS 层的厚度约为 1 μm。该值约为计算出的齿轮磨损量 ( 33 μm) 的 4%。FeS 层的厚度与齿轮磨损量相比非常薄，虽然很快就被磨损，但之后仍有助于减轻磨损。经过 4 h 试验后，各种表面处理齿轮的磨损结果如图 8 所示。
由图 8 可知：SN 处理齿轮的磨损量明显小于 N、CQ 和 IH;采用 SN+N 处理齿轮的磨损量最少，摩擦因数也最低，比较稳定。这意味着即使固体润滑层磨损，固体润滑效果也能持续一段时间。维氏硬度与轴间距离变化量的关系如图 9 所示。
由图 9 可知：齿面维氏硬度高的 CQ 和 IH 的磨损量，比维氏硬度低的 SN 的大。因此，SN 处理不仅影响齿面的硬度，而且影响润滑效果，减少了磨损量。此外，采用 SN+N 处理的齿轮兼具较优的齿面硬度和固体润滑性能，磨损量最少。这与在试验后齿面状态观察中，SN+N 齿面状态变化比其他处理技术更少的结果一致。
三、结论
本文作者评估了在不使用液体润滑剂的干摩擦条件下，经过 SN 处理的碳钢齿轮的磨损情况，研究了 SN 处理在常温常压下用于齿轮固体润滑的可行性。得出以下结论：
(1) 对比 4 h 测试时间后的磨损值，各种表面处理后的齿轮磨损量均有所减少，而 SN+N 表面处理的磨损量最低;
(2) SN 处理形成的 FeS 层的厚度为 1 μm。由轴间变化量计算得出 SN 处理的齿轮磨损量为 33 μm。FeS 层的厚度相当于该齿面磨损量的 4%，因此可以认为，虽然 FeS 层在较早阶段就被磨损，但之后仍有助于减轻磨损。
(3) 采用 SN+N 方法处理的齿轮，由于氮化引起的表面硬化层变得更厚，磨损量进一步减少。
参考文献略